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EP3390004A1 - Verfahren zum erzeugen eines dreidimensionalen gegenstands - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines dreidimensionalen gegenstands

Info

Publication number
EP3390004A1
EP3390004A1 EP16822369.1A EP16822369A EP3390004A1 EP 3390004 A1 EP3390004 A1 EP 3390004A1 EP 16822369 A EP16822369 A EP 16822369A EP 3390004 A1 EP3390004 A1 EP 3390004A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
area
subregions
areas
exposure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP16822369.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3390004B1 (de
Inventor
Klaus Stadlmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3390004A1 publication Critical patent/EP3390004A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3390004B1 publication Critical patent/EP3390004B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/08—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0805—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0037—Production of three-dimensional images
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a 3-D printing process, more particularly to a process for producing a three-dimensional object in a stereolithographic process by developing a plurality of layers in time sequence, the entirety of which forms the three-dimensional object, wherein at least one of the layers is in two or more Subareas are subdivided, which are located substantially next to each other; the subareas thus defined are developed in separate development steps.
  • the development of a layer or of a subregion of a layer is generally carried out by curing a substance suitable for this purpose.
  • a stereolithographic process a three-dimensional body of a photosensitive substance is produced by layerwise or continuous juxtaposition of layers or layer information.
  • a curable substance is used to form a three-dimensional object ("body” or "object”) layer by layer by generating geometric layer information that may be generated, for example, by a digital mask or by a moving laser beam specifiable desired shape to produce.
  • the curable substance is usually a photosensitive material which is liquid or pasty and hardens upon irradiation by suitable light, usually a liquid
  • Stereolithography method which use pixel-based mask exposure method to selectively cure a photosensitive material locally.
  • the original layer information can be divided into partial information for subregions of the individual layers
  • Exposure systems utilizing pixel-based mask exposure systems eg, Micro Optical Mirror Devices, or MEMS [microelectromechanical systems], also known under the DLP brand name
  • MEMS Microelectromechanical systems
  • a per se known approach to circumvent this restriction in terms of sizes, is that a too large layer information for the exposure area is split into smaller sub-areas and exposed sequentially in the form of these sub-areas.
  • EP 1946910 A2 An example of such a method is described in EP 1946910 A2.
  • several projection devices are combined by a logic composite to obtain a larger exposure range.
  • This exposure region has line-shaped overlaps at the edges of the colliding individual images, and EP 1946910 A2 also describes the use of so-called gray levels, that is to say regions in the order of Vi to 1 pixels, in which the intensity is not the whole
  • gray levels that is to say regions in the order of Vi to 1 pixels, in which the intensity is not the whole
  • the entire layer information is divided by defining boundary lines into individual areas, which are then developed via the corresponding irradiation source, wherein the edges of the area are completely superimposed by means of the gray levels.
  • EP 1666235 A1 describes a continuous exposure method in which a layer information which is larger than a single exposure area of the pixel-based mask at a given resolution and the associated exposure process is carried out by projecting a video synchronized with a movement device.
  • a narrow, but theoretically unlimited, area can be selectively cured in a location-selective manner.
  • By scanning line by line so the extent in the direction transverse to the direction of movement can be extended as desired.
  • the known methods have some disadvantages.
  • Partial layer information on uneven strength of the fabricated object and may also affect the appearance.
  • the object is achieved on the basis of a method of the type described above in that according to the invention at least one of the sub-areas in a
  • This solution represents a new approach for merging image information in subareas into overall layer information, starting from a subdivision of the original overall layer information into individual subareas. Instead of a straight or only slightly curved dividing line between the subregions, the boundary region between subregions is designed such that the subregions interlock with one another and enter into a positive connection of the subregions with one another; the sum of the subregions then yields the layer or layer information of this layer as a whole.
  • positive connection means that at least one of the partial areas is connected to the assigned partial area and the width of the connecting area does not increase in the direction of the assigned partial area; In this case, it can be particularly favorable if the subarea is connected to the associated subarea via a connection area of lesser or even decreasing width, as is the case, for example, with a dovetailed connection, or in the case of a connection via a "neck-like" section, the one In a positive connection, a separation of the connected parts is not possible without the parts are deformed or even destroyed, such as by detachment of one or more of the area parts, which protrude into another part of area the strength of the component is increased in the partial area compared to other approaches, since cracks are difficult to spread due to the intermeshing of the partial areas These partial areas are developed one after the other and thus form the desired layer areas, which in turn form the three-dimensional counterpart stand up.
  • edge regions of subregions which adjoin one another in a layer are connected; they can intermesh comb-shaped and / or positive fit.
  • the marginal areas may be more adjacent
  • a variation of this aspect extends the formation of contiguous fringes to multiple superimposed layers. Accordingly, it may be provided that a number of superimposed layers are divided into geometrically corresponding subregions, wherein the edge regions of mutually corresponding subregions of superimposed layers taken together form a coherent three-dimensional shape, wherein the thus formed
  • At least two of the subareas which adjoin one another in a layer may contain form-fittingly into the respective other subarea projecting area parts.
  • Subareas of a layer provide an overlapping area, the border areas of both involved in the overlap area sections, the peripheral areas
  • Partitions belong.
  • the two parts involved are in the
  • Overlap region complementary to each other with respect to the layer to be generated or layer information.
  • the division in the overlapping region can be effected, for example, by the mosaic-like overlapping of the overlapping region in FIG.
  • Area pieces is divided, and the so formed area pieces are randomly assigned to the parts involved in the overlapping area. Due to this random distribution results in a reliable and stable transition, at the same time a
  • Pattern formation avoids by regular structures. In order to achieve as fine a meshing of the subregions as possible, it may be favorable if the mosaic division is carried out in accordance with a division of the layer into pixels or predetermined groups of pixels.
  • the development of the layers can generally be carried out by exposure to a radiation which initiates the curing of the layer.
  • a radiation which initiates the curing of the layer.
  • Such radiation which is suitable for triggering the curing of the substance, is also referred to herein as actinic radiation.
  • the development process is designed such that the subregions are exposed in chronological order, preferably the subregions of a respective layer in chronological succession.
  • the area portions which project positively into another portion are spaced from the outer contour of the three-dimensional object to be produced, preferably at a predetermined minimum distance.
  • the development of all layers or individual layers may be carried out in a plurality (i.e., two or more) exposure passes, the exposure passes of a layer being sequential and in each case
  • the invention can be carried out such that in at least one of the exposure passes the relevant layer is subdivided into at least two subregions which are substantially adjacent to each other and are developed in separate development steps, wherein at least one of these subregions in a peripheral region becomes one another portion of the same layer in the same exposure passage area includes areas that protrude form fit into the other sub-area.
  • Layer information also done continuously. For example, this can be achieved by a relative movement between the exposure area and the light source using, for example, a mask exposure system (eg, a DMD, DLP) whose generated exposure pattern changes continuously depending on the position of the exposure area or the light source according to position and relative speed and thus represents a continuous projection.
  • a mask exposure system eg, a DMD, DLP
  • Figure 1 shows the structure of a three-dimensional object of a plurality of layers, which are each divided into sub-areas.
  • FIGS. 2a-2e illustrate the division of a layer into two subregions
  • Fig. 2b shows the division of the layer into two partial areas
  • Fig. 2c the definition of an overlapping area
  • Figs. 2d and 2e the splitting of the overlapping area with comb-like or hook-like toothed boundary areas
  • Fig. 3 illustrates an embodiment with a division of pixels of one
  • Fig. 4 illustrates an embodiment with a division of pixels of one
  • Fig. 5 shows an embodiment of the invention, in the superposed
  • FIG. 6 shows a plan view of a layer of FIG. 5.
  • FIG. 1 shows a space area 1 in which a three-dimensional body 2 is produced by means of a stereolithographic process.
  • the space area 1 is divided into a plurality of superimposed layers 3; the layers 3 preferably have a constant thickness.
  • the three-dimensional body 2 is formed from a plurality of superimposed layer information 4.
  • layer information refers to those areas within a layer that are developed according to the body 2 to be generated.
  • the layer information of the uppermost layer is exemplified.
  • FIG. 1 also shows by way of example two of the layers 3a, 3b with the layer information 4a, 4b contained therein.
  • the layer information 4, 4a, 4b are developed in chronological succession, for example starting with the uppermost layer and proceeding downwards (in other alternative embodiments, if necessary, in reverse), whereby the body 2 is produced layer by layer.
  • the shape of the body 2 can be chosen arbitrarily.
  • the body 2 is held by a support (not shown) with which it is connected via the first layered information 4 (here the topmost layer) and usually remains connected during the manufacturing process. In most cases, the body 2 is located entirely within the overall area 1 except for this stop on the first generated layer. However, the body 2 may also rest against one or more side surfaces of the space area 1; for example, as in shown in the embodiment shown, the body 2 of the front of the entire area 1 abut.
  • the development of the photosensitive material in a layer takes place in at least two temporally separate development steps, each of which develops a partial region of the layer.
  • the layer is subdivided into two or more subregions which lie substantially next to one another within the layer, wherein one subarea in one border area to another subarea of the same layer includes area parts which project into the other subarea in a form-fitting manner.
  • These sub-areas are developed one after the other and thus form the desired layer areas of one layer in total.
  • the subregions of all layers thus result in total the entire three-dimensional body.
  • the layers 3, 3a, 3b are already shown in FIG. 1 with a division into partial areas according to the invention.
  • the distribution of the layers is substantially constant, but in the context of the invention the distribution may also vary from layer to layer.
  • FIGS. 2a to 2e illustrate the division of a layer into two subregions.
  • FIG. 2a shows an exemplary layer 30 with the layer information 40 of a three-dimensional object.
  • the layer 30 is - for example, because it is too large for a single exposure process, or for other reasons - divided into two sections 31, 32, for example, as shown in Fig. 2b on either side of a division line 33.
  • the dividing line 33 shown here is straight, but in other embodiments it may also be bent or composed of straight or curved curve parts.
  • an overlap area (or transition area) 34 is defined, which runs along the dividing line, for example with a width B, which in the embodiment shown is along the
  • Division line remains the same. However, the width of the overlapping area may also vary along the course of the dividing line, especially if the dividing line is curved or composed of sections having different orientations.
  • the overlap area is then redistributed to the two subregions, with subareas belonging to one subarea extending between regions belonging to the other. In this way, a positive connection of the two sections 31, 32 results.
  • Fig. 2d shows a division of the overlapping area 35 with 2e an overlap region 36 with hook-like interlocking regions.
  • the division can be carried out, for example, by segmenting the overlapping area in successive parts of the area along the dividing line, and assigning these areas to the adjoining partial areas alternately.
  • the region parts may be, for example, parallel oriented strips or rectangles, which may result in a comb-like division as in FIG. 2d.
  • the area portions may form protrusions or meander patterns, thereby interlocking the areas.
  • the dividing line in the overlapping region 34 the dividing line is replaced by a complex dividing line, along which the edge regions of the adjoining partial regions mesh. In this way, an intimate connection of the two sections is ensured; In particular, it is not possible to move the edge regions apart without causing deformation or breakage in or next to the overlapping area.
  • the image information formed in the subregions can vary from layer to layer not only in its local position and extent, but also in the formed geometry. This means, for example, that a pattern formed in the subregions or overlapping regions differs from the pattern of the preceding layer and / or the next layer to be produced in this region.
  • a reflection and / or inversion of the geometric information of the pattern in the overlap region of the preceding layer can be formed.
  • the reflection can be made, for example, at the division line or a centerline of the overlapping area, or at a line perpendicular thereto; also a point reflection (eg at a center of the area concerned) can be made.
  • Inversion means the reversal of the assignment of the territorial parts to the two parts involved; In other words, in terms of gray levels, inversion means substituting a value "x" for the value of 1-x.
  • the overlapping area may also be tessellated into area pieces, and then the mosaic-type areas are joined according to a predetermined procedure or randomly (e.g., by means of a pseudorandom number generator)
  • Fig. 3 illustrates an example of a division of an overlapping area 23 with a width of 3 pixels.
  • the pixels of the overlapping area are assigned randomly ("randomly") to one partial area 21 or to the other partial area 22, which is indicated in the figure by the corresponding hatching.
  • the method according to the invention can also be combined with exposure according to gray levels.
  • the assignment of the subregions or pixels (or pixel groups) in the overlapping region does not take place directly to the two subregions, but to gray values which can assume values between 0 and 1, corresponding to values between 0% and 100%.
  • Gray levels are known for exposure in overlapping areas in stereolithographic processes.
  • the width B and the location of the overlap area may be the same or from layer to layer
  • Layer vary.
  • an overlap strip could be in layer n
  • FIG. 4 illustrates a variant of the distribution of FIG. 3 with gray levels.
  • the dotted pixels 44 are given a gray level.
  • the value of the gray level is 50%, i.
  • the pixels are each half exposed in both exposure steps of the two sections 41 and 42.
  • the gray levels may be chosen differently.
  • the gray levels can be alternately or randomly distributed at 30% and 70%.
  • other grayscale values as well as a greater number of grayscale values may be used depending on the desired application.
  • FIGS. 5 and 6 Another variant is illustrated in FIGS. 5 and 6. If an exposure dose of more than 100% is supplied to a pixel (or region portion), it results in a layer region having a higher thickness than the remaining layer. In this way, protruding into the respective overlying layer pins or teeth can be formed.
  • the portion 51 at the boundary to the portion 52 has teeth 53, e.g. These teeth 53 project into apertures 60 of the overlying portion 61. These apertures correspond to 0% exposure, and the other portion 62 of the upper layer is exposed to light at 200% of the "normal" exposure dose again has teeth that can engage in a (not shown) third layer, etc.
  • Fig. 6 shows a plan view of the upper (second) layer of Fig. 5, wherein along the dividing line between the portions 61 and 62 projecting upwards Teeth 53 of the underlying layer can be seen.
  • This aspect of the invention makes it possible to modify the geometry information of the layers and their subareas in such a way that they contribute in total to a toothing of the layers of the formed object, while avoiding the formation of a simple line-shaped seam which causes a fracture. or facilitate separation.
  • the sum of the subareas formed by at least partial superimposition of at least two contiguous subareas is formed is generated, a layer information which again coincides geometrically with the desired layer geometry of the object to be formed.
  • a subarea in the overlapping area of a subarea represents, at least in total, a part of the exposure area of the layer to be generated.
  • the exposure process may have different exposure times, sequences and intensities between the
  • a plurality of superimposed layers can be subdivided into subregions that are preferably geometrically corresponding to one another, but preferably not necessarily, and these subregions interlock with one another in a form-fitting manner.
  • the edge regions of mutually corresponding subregions of superimposed layers can also, taken together, form a coherent three-dimensional shape, so that the three-dimensional shapes thus formed interlock with one another and do not permit a shape-retaining separation.
  • the complete layer information of the respective layer is again obtained, for example by virtue of the fact that the corresponding sectors act complementary to one another in their geometrical information, i. are complementary to each other. This avoids overexposing the layers.
  • This can also be done in combination with the gray levels described above, e.g. with gray levels of values x and 1-x. Instead of gray levels, pulse width modulation (PWM) can also be achieved with pixel-based exposure systems.
  • PWM pulse width modulation
  • a sector may include part of the contour of the geometry of the subregion, ie the division line. Since at least the outer contour of the body is to be retained or accurately imaged, it may be favorable if only after a certain minimum distance from the outer contour, for example 2 pixels, a complex division according to the invention (eg by a mosaic or a polygon) a gearing as described above) takes place.
  • a pseudo-random generator would only begin at a distance from the outer surface of the body with a division of the subregions or pixels in an overlap area according to the invention;
  • the (minimum) distance may be specified according to an offset defined in pixels or absolute units (eg, millimeters).
  • the exposure of a sector can also take place several times, namely in further exposure steps in addition to those two which belong to the two subregions, and in different time sequences and intensities.
  • a layer can be exposed in several (k> l) passes, each one part of the exposure
  • each pass a different subdivision of the layer into subregions may be provided, so that the overlapping area of the passages are different from each other.
  • an area in one pass may correspond to a sector of an overlap area, and this sector may be exposed once with an intensity corresponding to one of the participating subregions of the respective passage; in the remaining passes, the area may lie in the middle of a subarea, so that in these passes, the exposure takes place with an intensity according to the respective subarea.
  • the intensity values of the different passes can be varied for a certain area piece such that the total sum of the intensities remains the same, namely the desired exposure intensity. This can additionally improve the internal cohesion of the subregions and sectors in a layer as well as of the layers with one another.

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Abstract

Zum Erzeugen eines dreidimensionalen Gegenstands in einem stereolithographischen Prozess wird eine Vielzahl von Schichten (30) in zeitlicher Abfolge ausgehärtet, sodass deren Gesamtheit den dreidimensionalen Gegenstand bildet. Die Schichten werden in zwei oder mehr Teilbereiche (31, 32) unterteilt, die innerhalb der Schicht im Wesentlichen neben einander liegen, wobei ein Teilbereich in einem Randgebiet (34) zu einem anderen Teilbereich derselben Schicht Gebietsteile (35) beinhaltet, die formschlüssig in den anderen Teilbereich hineinragen. Diese Teilbereiche werden nacheinander entwickelt und bilden so insgesamt die gewünschten Schichtbereiche.

Description

VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINES DREIDIMENSIONALEN GEGENSTANDS
Die Erfindung betrifft ein 3 D-Druck- Verfahren, genauer gesagt ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Gegenstands in einem stereolithographischen Prozess durch Entwickeln einer Vielzahl von Schichten in zeitlicher Abfolge, deren Gesamtheit den dreidimensionalen Gegenstand bildet, wobei zumindest eine der Schichten in zwei oder mehr Teilbereiche unterteilt wird, welche im Wesentlichen neben einander liegen; die so festgelegten Teilbereiche werden in voneinander gesonderten Entwicklungsschritten entwickelt. Das Entwickeln einer Schicht bzw. eines Teilbereichs einer Schicht erfolgt in der Regel durch Aushärten einer hierfür geeigneten Substanz.
Verfahren dieser Art sind bekannt, wobei neben Stereolithographie verschiedene andere Bezeichnungen wie Rapid Prototyping, Fotosolidification oder 3D-Druck geläufig sind. In einem stereolithographischen Prozess wird durch schichtweises oder kontinuierliches Aneinanderreihen von Schichten bzw. Schichtinformationen ein dreidimensionaler Körper aus einer fotosensitiven Substanz erzeugt. Bei einem Herstellungsprozess dieser Art wird eine aushärtbare Substanz verwendet, um Schicht für Schicht durch Erzeugen einer geometrischen Schichtinformation, die beispielsweise durch eine digitale Maske oder durch einen bewegten Laserstrahl erzeugt werden kann, einen dreidimensionalen Gegenstand („Körper" oder„Objekt") mit einer vorgebbaren gewünschten Formgebung zu erzeugen. Die aushärtbare Substanz ist in der Regel ein lichtempfindliches Material, das flüssig oder pastös ist und bei Bestrahlung durch geeignetes Licht aushärtet, zumeist eine flüssige
Monomerformulierung.
Es sind unterschiedliche 3D- Druckverfahren zur Generierung von dreidimensionalen Objekten aus einem fotosensitiven Material bekannt. Je nach Verfahren werden hierbei pastöse, flüssige oder auch granuläre Materialien durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung (z.B. durch UV-Strahlung, IR-Strahlung) verfestigt. Ein Beispiel sind
Stereolithographieverfahren, welche pixelbasierte Maskenbelichtungsverfahren nützen, um ein fotosensitives Material örtlich gezielt auszuhärten. Bei diesen kann die ursprüngliche Schichtinformation in Teilinformationen für Teilbereiche der einzelnen Schichten
umgewandelt werden, um dann bereichsweise ausgehärtet zu werden. Belichtungssysteme, die pixelbasierte Maskenbelichtungssysteme (z.B. Micro Optical Mirror Devices, bzw. MEMS [microelectromechanical Systems], die auch unter dem Markennamen DLP bekannt sind) nutzen um eine Schichtinformation zu generieren, sind bei einer gegebene Auflösung der Pixel auf einen Belichtungsbereich bestimmter Größe begrenzt. Dadurch können nur Objekte in einem 3D- Druckverfahren generiert werden, die in den vorgegeben Belichtungsbereich passen. Dies gilt auch für andere Belichtungsverfahren, wie beispielsweise optische Systeme, welche Galvano-Scanner nutzen.
Ein an sich bekannter Ansatz, diese Beschränkung hinsichtlich der Größen zu umgehen, besteht darin, dass eine für den Belichtungsbereich zu große Schichtinformation in kleinere Teilbereiche aufgespaltet und in Form dieser Teilbereiche sequentiell belichtet wird.
Ein Beispiel eines derartigen Verfahren ist in EP 1946910 A2 beschrieben. Darin werden mehrere Projektionseinrichtungen durch einen Logikverbund zusammengeschlossen, um einen größeren Belichtungsbereich zu erhalten. Dieser Belichtungsbereich weist an den Kanten der zusammenstoßenden Einzelbilder linienförmige Überschneidungen, sogenannte „Seams", auf. Außerdem wird in EP 1946910 A2 der Einsatz von sogenannten Graustufen beschrieben, also Bereichen in der Größenordnung von Vi bis 1 Pixel, in dem die Intensität nicht der gesamten zur vollständigen Entwicklung einer Schicht erforderlichen Intensität entspricht. Somit wird die gesamte Schichtinformation durch Festlegen von Grenzlinien in einzelne Bereiche unterteilt, die dann über die entsprechende Bestrahlungsquelle entwickelt werden, wobei die Ränder der Bereich mithilfe der Graustufen in sich vollständig überlagert werden.
In EP 1666235 AI ist ein kontinuierliches Belichtungsverfahren beschrieben, in dem eine Schichtinformation, welche größer als eine einzelne Belichtungsfläche der pixelbasierten Maske bei einer gegebenen Auflösung ist, und der zugehörende Belichtungsprozess durch Projizieren eines mit einer Bewegungseinrichtung synchronisierten Videos erfolgt. Dadurch kann ein schmaler, aber in der Länge theoretisch unbegrenzter Bereich ortsselektiv ausgehärtet werden. Durch zeilenweises Abrastern kann so auch die Ausdehnung in der Richtung quer zur Bewegungsrichtung beliebig erweitert werden. Dadurch ergeben sich wiederum Überlappungsbereiche, in denen eine doppelte Belichtung durch Modulierung der Bestrahlungsintensität erfolgt, um einen Verbund der nebeneinander liegenden Streifen zu erreichen. Die bekannten Verfahren haben einige Nachteile. An den Grenzen zwischen den Teilbereichen, die in getrennten Entwicklungsschritten erzeugt werden, ergeben sich häufig Grenzlinien oder sogar Lücken, die zu einem Bruch des hergestellten Objektes führen können. Außerdem führen materialabhängige Alterungseffekte, insbesondere beim Einsatz von Graustufen im Überlappungsbereich der Einzelbilder, zu einer unvollständigen
Aushärtung. Außerdem führen die linienf örmige Überschneidungsbereiche der
Teilschichtinformationen zu einer ungleichmäßigen Festigkeit des hergestellten Objekts und kann zudem das Aussehen beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die genannten Nachteile der bekannten
stereolithographischen Verfahren mit aus Teilbereichen zusammengesetzten Schichten zu vermeiden. Insbesondere sollen Defekte und Sollbruchstellen in Überlappungsbereichen der Einzelbilder infolge unvollständiger Entwicklung vermieden werden, und die
Auswirkungen der linienförmigen Überschneidungen soll eliminiert werden, um eine größere Festigkeit mit einem verbesserten dreidimensionalen Verbund zu erreichen.
Insbesondere sollen Fehler im Belichtungsprozess durch fehlerhaft ausgebildete Grenzlinien, welche zu einem Bruch des Objektes führen können, vermieden werden.
Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs dargestellten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß zumindest einer der Teilbereiche in einem
Randgebiet zu einem anderen Teilbereich derselben Schicht Gebietsteile beinhaltet, die formschlüssig in den anderen Teilbereich hineinragen - beispielsweise kammförmig und/ oder hakenförmig und/ oder schwalbenschwanzartig.
Diese Lösung stellt einen neuen Ansatz zum Zusammenfügen von Bildinformationen in Teilbereichen zu einer gesamten Schichtinformation dar, ausgehend von einer Unterteilung der ursprünglichen gesamte Schichtinformation in einzelne Teilbereiche. Anstelle einer geraden oder nur geringfügig gekrümmten Trennlinie zwischen den Teilbereichen wird der Grenzbereich zwischen Teilbereiche so gestaltet, dass die Teilbereiche ineinander greifen und miteinander eine formschlüssige Verbindung der Teilbereiche eingehen; die Summe der Teilbereiche ergibt dann insgesamt die Schicht bzw. die Schichtinformation dieser Schicht. Hierbei bedeutet "formschlüssige Verbindung", dass zumindest eines der Teilgebiete mit dem zugeordneten Teilbereich verbunden ist und die Breite des Verbindungsgebiets in Richtung zum zugeordneten Teilbereich hin nicht zunimmt; besonders günstig kann es hierbei sein, wenn das Teilgebiet über ein Verbindungsgebiet mit geringerer oder sogar abnehmender Breite mit dem zugehörenden Teilbereich verbunden ist, wie dies z.B. bei einer schwalbenschwanzartigen Verbindung der Fall ist, oder bei einer Verbindung über einen „halsartigen" Abschnitt, der eine geringerer Breite als der Hauptteil des Teilgebiets hat. Bei einer formschlüssigen Verbindung ist ein Auseinanderlösen der verbundenen Teile nicht möglich, ohne dass die Teile verformt oder gar zerstört werden, wie z.B. durch Ablösen eines oder mehrerer der Gebietsteile, die in einen anderen Teilbereich hineinragen. Auch wird die Festigkeit des Bauteiles im Teilbereich gegenüber anderen Ansätzen erhöht, da durch das Ineinandergreifen der Teilbereiche sich Risse schwer ausbreiten können. Diese Teilbereiche werden nacheinander entwickelt und bilden so insgesamt die gewünschten Schichtbereiche, die insgesamt wiederum den zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstand bilden.
In einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Randgebiete von Teilbereichen, die in einer Schicht aneinander grenzen, zusammenhängend sind; sie können hierbei kammförmig und/ oder formschlüssig ineinander greifen. Gemäß einer günstigen Ausführungsform dieses Aspekts können die Randgebiete aneinander grenzender
Teilbereiche entlang einer Aufteilungslinie ineinander greifen, die ein formwahrendes Auseinanderrücken der Randgebiete bzw. der Teilbereiche nicht zulässt. Auf diese Weise kann der Zusammenhalt innerhalb des Objekts zwischen den Teilbereichen deutlich verbessert werden.
Eine Abwandlung dieses Aspekts erweitert die Ausbildung der zusammenhängenden Randgebiete auf mehrere übereinander liegende Schichten. Dem entsprechend kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl von übereinander liegenden Schichten in einander geometrisch entsprechende Teilbereiche aufgeteilt werden, wobei die Randgebiete einander entsprechender Teilbereiche von übereinander liegenden Schichten zusammengenommen eine zusammenhängende dreidimensionale Form bilden, wobei die so gebildeten
dreidimensionalen Formen gegenseitig ineinandergreifen und ein formwahrendes
Auseinanderrücken dieser dreidimensionalen Formen nicht zulassen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können zumindest zwei der Teilbereiche, die in einer Schicht aneinander grenzen, formschlüssig in den jeweils anderen Teilbereich hineinragende Gebietsteile beinhalten.
Eine Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen zwei aneinander grenzenden
Teilbereichen einer Schicht ein Überlappungsgebiet vorsehen, das Randgebiete beider am Überlappungsgebiet beteiligten Teilbereiche beinhaltet, wobei die Randgebiete
formschlüssig in den jeweils anderen Teilbereich hineinragende Gebietsteile beinhalten; hierbei wird in jedem Überlappungsgebiet die Entwicklung der Schicht jeweils zum Teil in jenen Entwicklungsschritten erfolgen, die zu den am Überlappungsgebiet beteiligten
Teilbereichen gehören. Vorzugsweise sind die beiden beteiligten Teilbereiche in dem
Überlappungsgebiet zueinander komplementär in Bezug auf die zu erzeugende Schicht bzw. Schichtinformation. Bei dieser Ausgestaltung kann die Aufteilung in dem Überlappungsgebiet beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Überlappungsgebiet mosaikartig in
Gebietsstücke aufgeteilt wird, und die so gebildeten Gebietsstücke zufällig zu den am Überlappungsgebiet beteiligten Teilbereichen zugeordnet werden. Durch diese zufällige Verteilung ergibt sich ein zuverlässiger und stabiler Übergang, der zugleich eine
Musterbildung durch regelmäßige Strukturen vermeidet. Um ein möglichst feingliedriges Ineinandergreifen der Teilbereich zu erreichen, kann es günstig sein, wenn das mosaikartige Aufteilen in Übereinstimmung mit einer Aufteilung der Schicht in Pixel oder vorbestimmten Gruppen von Pixeln erfolgt.
Das Entwickeln der Schichten kann in der Regel durch Belichtung mit einer ein Aushärten der Schicht auslösenden Strahlung erfolgen. Eine derartige Strahlung, die zum Auslösen der Aushärtung der Substanz geeignet ist, wird hier auch als aktinische Strahlung bezeichnet.
In der Regel ist der Entwicklungsprozess so gestaltet, dass die Teilbereiche in zeitlicher Abfolge belichtet werden, vorzugsweise die Teilbereiche jeweils einer Schicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend.
Außerdem kann in übereinander liegenden Schichten eine Unterteilung der Schichten in Teilbereiche derart erfolgen, dass die Randgebiete der verschiedenen Schichten (z.B.
aufeinanderfolgenden Schichten) zueinander gespiegelte und/ oder invertierte Geometrien aufweisen. Um eine Beeinträchtigen der Formgebung des zu erzeugenden Körpers hinsichtlich seiner Außenkontur zu vermeiden, kann es günstig sein, wenn die Gebietsteile, die formschlüssig in einen anderen Teilbereich hineinragen, von der äußeren Kontur des zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands beabstandet sind, vorzugsweise in einem vorgegebenen Mindestabstand.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Entwicklung aller Schichten oder einzelner der Schichten in einer Mehrzahl (d.h. zwei oder mehr) Belichtungsdurchgängen erfolgen, wobei die Belichtungsdurchgänge einer Schicht in zeitlicher Abfolge und jeweils im
Wesentlichen für die gesamte Schicht stattfinden. In diesem Fall kann die Erfindung so ausgeführt werden, dass in zumindest einem der Belichtungsdurchgänge die betreffende Schicht in zumindest zwei Teilbereiche unterteilt wird, welche im Wesentlichen neben einander liegen und jeweils in gesonderten Entwicklungsschritten entwickelt werden, wobei zumindest einer dieser Teilbereiche in einem Randgebiet zu einem anderen Teilbereich derselben Schicht in demselben Belichtungsdurchgang Gebietsteile beinhaltet, die formschlüssig in den anderen Teilbereich hineinragen.
Im Rahmen der Erfindung kann die Belichtung, und somit auch die Erzeugung der
Schichtinformation, auch kontinuierlich erfolgen. Beispielsweise kann dies durch eine relative Bewegung zwischen Belichtungsfläche und Lichtquelle erreicht werden, wobei beispielsweise ein Maskenbelichtungssystem (z.B. ein DMD, DLP) zum Einsatz kommt, dessen erzeugtes Belichtungsmuster sich je nach Position der Belichtungsfläche oder der Lichtquelle entsprechend der Position und der entsprechenden Relativgeschwindigkeit kontinuierlich ändert und somit eine kontinuierliche Projektion darstellt.
Die Erfindung samt weiterer Ausgestaltungen und Vorzüge wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnungen zeigen in schematischer Weise
Fig. 1 den Aufbau eines dreidimensionalen Objekts aus einer Vielzahl von Schichten, die jeweils in Teilbereiche aufgeteilt werden;
Fig. 2a-2e illustrieren die Aufteilung einer Schicht in zwei Teilbereiche, wobei Fig. 2a
eine Schicht mit der Schichtinformation für ein dreidimensionales Objekt zeigt, Fig. 2b die Aufteilung der Schicht in zwei Teilbereiche, Fig. 2c das Festlegen eines Überlappungsgebiets, und Fig. 2d und 2e das Aufteilen des Überlappungsgebiets mit kammartig bzw. hakenartig verzahnten Grenzbereichen darstellen;
Fig. 3 illustriert eine Ausführungsform mit einer Aufteilung von Pixeln eines
Überlappungsgebiets gemäß einer zufälligen Zuordnung zu den beiden Teilbereichen;
Fig. 4 illustriert eine Ausführungsform mit einer Aufteilung von Pixeln eines
Überlappungsgebiets gemäß einer zufälligen Zuordnung und Graustufen;
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der übereinander liegende
Schichten ineinander verzahnt werden; und
Fig. 6 zeigt eine Aufsicht einer Schicht der Fig. 5.
Die perspektivische Ansicht der Fig. 1 zeigt einen Raumbereich 1, in dem ein dreidimensionaler Körper 2 mittels eines stereolithographischen Verfahrens erzeugt wird. Gemäß einer üblichen Vorgangsweise ist der Raumbereich 1 in eine Vielzahl von übereinander liegenden Schichten 3 aufgeteilt; die Schichten 3 haben vorzugsweise eine gleichbleibende Dicke. In dem Raumbereich 1 wird der dreidimensionale Körper 2 aus einer Vielzahl übereinander liegender Schichtinformationen 4 gebildet. Hierbei bezeichnet Schichtinformation jene Bereiche innerhalb einer Schicht, die gemäß dem zu erzeugenden Körper 2 entwickelt werden. Mit dem Bezugszeichen 4 ist beispielhaft die Schichtinformation der obersten Schicht bezeichnet. Die Fig. 1 zeigt auch beispielhaft zwei der Schichten 3a, 3b mit der darin jeweils enthaltenen Schichtinformation 4a, 4b. Die Schichtinformationen 4, 4a, 4b werden zeitlich aufeinander folgend entwickelt, beispielsweise beginnend mit der obersten Schicht und nach unten voranschreitend (in anderen Ausführungsvarianten gegebenenfalls umgekehrt), wodurch der Körper 2 Schicht für Schicht erzeugt wird. Die Form des Körpers 2 kann beliebig gewählt sein. Der Körper 2 wird von einer Halterung (nicht gezeigt) gehalten, mit der er über die erste erzeugte Schichtinformation 4 (d.i. hier die der obersten Schicht) verbunden ist und in der Regel während des Herstellungsvorgangs verbunden bleibt. Meist befindet sich der Körper 2 abgesehen von dieser Haltestelle an der ersten erzeugten Schicht vollständig innerhalb des Gesamtbereichs 1. Jedoch kann der Körper 2 darüberhinaus an einer oder mehreren Seitenflächen des Raumbereichs 1 anliegen; beispielsweise kann wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt der Körper 2 der Vorderseite des Gesamtbereichs 1 anliegen.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Entwicklung des lichtempfindlichen Materials in einer Schicht in zumindest zwei zeitlich gesonderten Entwicklungsschritten, die jeweils einen Teilbereich der Schicht entwickeln. Hierfür wird die Schicht in zwei oder mehr Teilbereiche aufgeteilt, die innerhalb der Schicht im Wesentlichen neben einander liegen, wobei ein Teilbereich in einem Randgebiet zu einem anderen Teilbereich derselben Schicht Gebietsteile beinhaltet, die formschlüssig in den anderen Teilbereich hineinragen. Diese Teilbereiche werden nacheinander entwickelt und bilden so insgesamt die gewünschten Schichtbereiche jeweils einer Schicht. Die Teilbereiche sämtlicher Schichten ergeben somit insgesamt den gesamten dreidimensionalen Körper.
Die Schichten 3, 3a, 3b sind in Fig. 1 bereits mit einer Aufteilung in erfindungsgemäße Teilbereiche dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Aufteilung der Schichten im Wesentlichen gleichbleibend, jedoch kann im Rahmen der Erfindung die Aufteilung auch von Schicht zu Schicht variieren.
In Fig. 2a bis 2e ist die Aufteilung einer Schicht in zwei Teilbereiche illustriert. Fig. 2a zeigt eine beispielhafte Schicht 30 mit der Schichtinformation 40 eines dreidimensionalen Objekts. Die Schicht 30 wird - beispielsweise, weil sie zu groß für einen einzelnen Belichtungsprozess ist, oder aus anderen Gründen - in zwei Teilbereiche 31, 32 aufgeteilt, die beispielsweise wie in Fig. 2b gezeigt beiderseits einer Teilungslinie 33 liegen. Die hier gezeigte Teilungslinie 33 ist gerade, sie kann in anderen Ausführungsformen jedoch auch gebogen oder aus geraden oder gekrümmten Kurventeilen zusammengesetzt sein. Sodann wird - Fig. 2c - ein Überlappungsgebiet (oder Übergangsbereich) 34 festgelegt, der entlang der Teilungslinie verläuft, beispielsweise mit einer Breite B, die im gezeigten Ausführungsbeispiel entlang der
Teilungslinie gleich bleibt. Die Breite des Überlappungsgebiets kann jedoch auch entlang des Verlaufs der Teilungslinie variieren, insbesondere wenn die Teilungslinie gekrümmt ist oder aus Teilstücken mit verschiedenen Orientierungen zusammengesetzt ist. Das Überlappungsgebiet wird sodann auf die beiden Teilbereiche neu aufgeteilt, wobei Gebietsteile, die zu einem Teilbereich gehören zwischen Gebietsteile, die zu dem anderen gehören hineinragen. Auf diese Weise ergibt sich eine formschlüssige Verbindung der beiden Teilbereiche 31, 32. Als Beispiele unter vielen zeigt Fig. 2d eine Aufteilung des Überlappungsgebiets 35 mit kammartig verzahnten Grenzbereichen, sowie Fig. 2e ein Überlappungsgebiet 36 mit hakenartig ineinander greifenden Gebietsteilen.
Die Aufteilung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Überlappungsgebiet in längs der Teilungslinie aufeinanderfolgende Gebietsteile segmentiert wird, und diese Gebietsteile abwechselnd den anliegenden Teilbereichen zugeordnet werden. Die Gebietsteile können beispielsweise parallel orientierte Streifen oder Rechtecke sein, wodurch sich eine kammartige Aufteilung wie in Fig. 2d ergeben kann. Zusätzlich können die Gebietsteile Vorsprünge oder Mäandermuster ausbilden, wodurch sich die Gebiete ineinander verhaken. In all diesen Fällen ergibt sich eine Verzahnung mit Gebietsteilen, die formschlüssig in den jeweils anderen Teilbereich hineinragen, wobei vorzugsweise die Randgebiete von Teilbereichen, die in einer Schicht aneinander grenzen, jeweils zusammenhängend sind. Wie auch anhand der Beispiele der Fig. 2d und 2e erkennbar ist, wird in dem Überlappungsgebiet 34 die Teilungslinie durch eine komplexe Aufteilungslinie ersetzt, entlang der die Randgebiete der aneinander grenzenden Teilbereiche ineinander greifen. Auf diese Weise ist eine innige Verbindung der beiden Teilbereiche sicher gestellt; insbesondere ist ein Auseinanderrücken der Randgebiete nicht möglich, ohne dass es zu einer Deformierung oder einem Bruch in oder neben dem Überlappungsgebiet kommt.
Gemäß der Erfindung kann die in den Teilbereichen gebildete Bildinformation von Schicht zu Schicht nicht nur in seiner örtlichen Position und Ausdehnung, sondern auch in der gebildeten Geometrie variieren. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein in den Teilbereichen bzw. Überlappungsgebieten gebildetes Muster sich von dem Muster der vorangegangen Schicht und/ oder der nächsten zu erzeugenden Schicht in diesem Bereich unterscheidet.
So kann beispielsweise im einfachsten Fall von Schicht zu Schicht in dem Überlappungsgebiet oder einem Teil davon eine Spiegelung und/ oder Inversion der geometrischen Information des Musters im Überlappungsgebiet der vorhergehenden Schicht gebildet werden. Die Spiegelung kann beispielsweise an der Teilungslinie oder einer Mittellinie des Überlappungsgebiets erfolgen, oder an einer Linie senkrecht dazu; auch kann eine Punktspiegelung (z.B. an einem Mittelpunkt des betreffenden Gebiets) vorgenommen werden. Inversion bedeutet die Umkehrung der Zuordnung der Gebietsteile zu den beiden beteiligten Teilbereichen; oder mit anderen Worten, ausgedrückt in Graustufen, bedeutet Inversion die Ersetzung eines Gr ausrufen wertes x durch den Wert 1-x. Somit wird das gespiegelte und/ oder invertierte Muster bzw. die invertierte Form des formschlüssigen Musters in aufeinanderfolgenden Überlappungsgebieten verschiedener Schichten verwendet. Dies vereinfacht die Berechnung des Musters im Überlappungsgebiet.
Das Überlappungsgebiet kann auch mosaikartig in Gebietsstücke aufgeteilt werden, und sodann werden die mosaikartigen Gebietstücke nach einem vorher festgelegten Verfahren oder zufällig (z.B. mittels eines Pseudozufallszahlengenerators) zu den beteiligten
Teilbereichen zugeordnet. In einem besonders einfachen, aber dennoch effektiven Spezialfall kann das mosaikartige Aufteilen gemäß den Pixeln erfolgt (oder vorbestimmten Gruppen von Pixeln, z.B. mit Pixelgebieten zu je n x m Pixel, wobei n und m positive ganze Zahlen sind, auch n = m > 1 ist möglich), die einer rasterbasierten Entwicklung der Schicht zugrunde gelegt werden.
Fig. 3 illustriert ein Beispiel einer Aufteilung eines Überlappungsgebiets 23 mit einer Breite von 3 Pixel. Die Pixel des Überlappungsgebiets werden regellos („zufällig") dem einen Teilbereich 21 oder dem anderen Teilbereich 22 zugeordnet, was in der Figur durch die entsprechende Schraffierung angedeutet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit Belichtung gemäß Graustufen kombiniert werden. Hierbei erfolgt die Zuordnung der Teilgebiete oder Pixel (bzw. Pixelgruppen) in dem Überlappungsgebiet nicht unmittelbar zu den beiden Teilbereichen, sondern zu Grauwerten, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen können, entsprechend Werten zwischen 0% und 100%. Grauwerte sind für die Belichtung in Überlappungsbereichen bei stereolithographischen Prozessen bekannt. Hierbei wird für ein Gebiet die zum Entwickeln nötige Belichtungsdosis jeweils zum Teil in den beiden Entwicklungsschritten der beiden beteiligten Teilbereiche zugeführt, sodass insgesamt die nötige Belichtungsdosis erreicht wird, z.B. zu jeweils 50%, oder zu je 40% und 60% (entsprechend einer Graustufe x = 0.4 = 40%). Im Grenzfall bedeutet ein Graustufenwert x = 100%, dass die Belichtung zur Gänze im Belichtungsschritt des ersten Teilbereichs erfolgt, während x = 0% die Belichtung (nur) im Belichtungsschritt des zweiten Teilbereichs bedeutet.
Die Breite B und der Ort des Überlappungsgebiets kann gleichbleiben oder von Schicht zu
Schicht variieren. So könnte beispielweise ein Überlappungsstreifen in Schicht n aus
B=5 Pixelreihen gebildet werden, in der vorhergehenden Schicht n-1 aus 4 Pixelreihen und bei der nachfolgende Schicht n+1 aus 8 Pixelreihen; diese Zahlen sind natürlich nur beispielhafter Art. Somit kann sich die Ausdehnung der Überlappungsgebiete bzw. der darin gebildeten Teilgebiete von Schicht zu ändern.
Fig. 4 illustriert eine Variante der Aufteilung der Fig. 3 mit Graustufen. Wiederum sind durch die Schraffierung die Zuordnungen der Pixel im Überlappungsgebiet 43 zu den Teilbereichen 41 und 42 (= Graustufen 100% bzw. 0%) symbolisiert. Die punktiert dargestellten Pixel 44 erhalten eine Graustufe. Beispielsweise ist der Wert der Graustufe 50%, d.h. die Pixel werden je zur Hälfte in beiden Belichtungsschritten der beiden Teilbereiche 41 und 42 belichtet. In anderen Varianten können die Graustufen verschieden gewählt sein. Beispielsweise können die Graustufen abwechselnd oder zufällig verteilt die Werte 30% und 70% annehmen. Natürlich können auch andere Graustufenwerte sowie eine größere Anzahl von Graustufenwerten, je nach gewünschter Anwendung, zum Einsatz kommen.
Eine weitere Variante ist in Fig. 5 und 6 illustriert. Wenn einem Pixel (oder Gebietsteil) eine Belichtungsdosis von mehr als 100% zugeführt wird, so führt dies zu einem Schichtbereich mit einer höheren Dicke als die übrige Schicht. Auf diese Weise können in die jeweils darüber liegende Schicht hineinragende Stifte oder Zähne geformt werden. Beispielsweise weist in Fig. 5 der Teilbereich 51 an der Grenze zum Teilbereich 52 Zähne 53 auf, die z.B. durch eine Belichtung mit 200% der„normalen" Belichtungsdosis im Hauptgebiet des Teilbereichs erzeugt werden können. Diese Zähne 53 ragen in Öffnungen 60 des Teilbereichs 61 der darüber liegenden Schicht. Diese Öffnungen entsprechen einer Belichtung mit 0%. Der andere Bereich 62 der oberen Schicht weist wiederum Zähne auf, die in eine (nicht gezeigte) dritte Schicht eingreifen können, usw. Fig. 6 zeigt eine Aufsicht auf die obere (zweite) Schicht der Fig. 5, wobei entlang der Teilungslinie zwischen den Teilbereichen 61 und 62 die empor ragenden Zähne 53 der darunter liegenden Schicht erkennbar sind.
Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht, dass die Geometrie-Information der Schichten und deren Teilbereiche so abgewandelt wird, dass sie in Summe zu einer Verzahnung der Schichten des gebildeten Objektes beitragen, während ein Ausbilden einer einfachen linien- förmigen Naht vermieden wird, die eine Bruch- oder Trennungsbildung erleichtern könnte.
Gemäß der Erfindung wird durch die Summe der Teilbereiche, welche durch zumindest teilweise Überlagerung von mindestens zweier aneinandergrenzender Teilbereiche gebildet wird, eine Schichtinformation erzeugt welche mit der gewünschten Schichtgeometrie des zu bildenden Objektes wieder geometrisch übereinstimmt. Im Rahmen der Erfindung stellt jeweils ein Teilgebiet im Überlappungsgebiet eines Teilbereiches zumindest in Summe ein Teil der Belichtungsfläche der zu erzeugenden Schicht dar. Der Belichtungsprozess kann dabei unterschiedliche Belichtungszeiten, Abfolgen und Intensitäten zwischen dem
Teilgebiet und dem Teilbereich, dem es zugehört, aufweisen.
Im Allgemeinen können mehrere übereinander liegenden Schichten in - vorzugsweise aber nicht notwendiger Weise einander geometrisch entsprechende - Teilbereiche aufgeteilt werden, und diese Teilbereiche greifen formschlüssig ineinander. Hierbei können die Randgebiete einander entsprechender Teilbereiche von übereinander liegenden Schichten zudem zusammengenommen eine zusammenhängende dreidimensionale Form bilden, sodass die so gebildeten dreidimensionalen Formen gegenseitig ineinandergreifen und ein formwahrendes Auseinanderrücken nicht zulassen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr beinhaltet die Erfindung sämtliche Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen. Gemäß der Erfindung wird der Überlappungsbereich in„Sektoren"
(d.h. Teilgebiete) unterteilt, die über die ursprüngliche Grenzlinie, die die Teilungslinie zwischen angrenzenden Teilbereichen darstellt, übergreifen und insofern nicht mehr der ursprünglichen geometrischen Information entsprechen. Erst durch Überlagerung der Sektoren der beteiligten Teilbereiche wird die ursprüngliche geometrische Information des Schichtbereiches wieder hergestellt.
Durch Kombination der entsprechenden Sektoren der Teilbereiche ergibt sich wieder die vollständige Schichtinformation der jeweiligen Schicht, beispielweise dadurch, dass die entsprechenden Sektoren in ihrer geometrischen Information zueinander ergänzend wirken, d.h. zueinander komplementär sind. Dadurch wird eine Überbelichtung der Schichten vermieden. Dies kann auch in Kombination mit den oben beschriebenen Graustufen erfolgen, z.B. mit Graustufen der Werte x und 1-x. Anstelle von Graustufen kann auch eine Pulsweiten-Modulation (PWM) bei pixelbasierten Belichtungssystemen erreicht werden.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die in den Überlappungsgebieten gebildeten Teilgebiete - d.h.„Sektoren" - die ursprüngliche Geometrie der Schichtinformation der Teilbereiche berücksichtigt - insbesondere die Konturen, die der Oberfläche des zu erzeugenden dreidimensionalen Körpers entsprechen; beispielsweise kann ein Sektor einen Teil der Kontur der Geometrie des Teilbereiches, d.h. der Teilungslinie, beinhalten. Da beim Erzeugen des Körpers zumindest dessen äußere Kontur erhalten bleiben bzw. genau abgebildet werden soll, kann es günstig sein, wenn erst ab einem gewissen Mindestabstand von der äußeren Kontur - z.B. 2 Pixel - eine komplexe Aufteilung gemäß der Erfindung (z.B. durch ein Mosaik oder eine Verzahnung wie oben beschrieben) erfolgt. Beispielsweise würde in diesem Fall ein Pseudozufallsgenerator erst in einem Abstand von der äußeren Oberfläche des Körpers mit einer Aufteilung der Teilgebiete bzw. Pixel in einem Überlappungsgebiet gemäß der Erfindung beginnen; der (Mindest)Abstand kann z.B. gemäß einem Offset, der in Pixel oder absoluten Einheiten (z.B. Millimeter) definiert wird, vorgegeben werden.
Außerdem kann die Belichtung eines Sektors auch mehrfach erfolgen, nämlich in weiteren Belichtungsschritten zusätzlich zu jenen beiden, die zu den beiden Teilbereichen gehören, und in unterschiedlichen Zeitabfolgen und Intensitäten. Insbesondere kann eine Schicht in mehreren (k>l) Durchgängen belichtet werden, die jeweils einen Teil der Belichtung
(z.B. mit Belichtungsintensität = 1/k der gewünschten Endintensität) liefern; in jedem Durchgang kann eine andere Unterteilung der Schicht in Teilbereiche vorgesehen sein, sodass die Überlappungsgebiet der Durchgänge voneinander unterschiedlich sind. So kann ein Gebietsstück in einem Durchgang einem Sektor eines Überlappungsgebiet entsprechen, wobei dieser Sektor einmal mit einer Intensität belichtet werden kann, die einem der beteiligten Teilbereiche des jeweiligen Durchgangs entspricht; in den übrigen Durchgängen kann das Gebietsstück inmitten eines Teilbereichs liegen, sodass in diesen Durchgängen die Belichtung mit einer Intensität gemäß dem jeweiligen Teilbereich erfolgt. In einer Variante hierzu können für ein bestimmtes Gebietsstück zusätzlich die Intensitätswerte der verschiedenen Durchgänge so variiert werden, dass die Gesamtsumme der Intensitäten gleich bleibt, nämlich die gewünschten Belichtungsintensität. Dies kann zusätzlich den inneren Zusammenhalt der Teilbereiche und Sektoren in einer Schicht sowie der Schichten untereinander verbessern.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Gegenstands (2) in einem
stereolithographischen Prozess durch Entwickeln einer Vielzahl von Schichten (3) in zeitlicher Abfolge, deren Gesamtheit den dreidimensionalen Gegenstand bildet,
wobei zumindest eine der Schichten (3, 3a, 3b, 30) in zumindest zwei Teilbereiche unterteilt wird, welche im Wesentlichen neben einander liegen und jeweils in gesonderten
Entwicklungsschritten entwickelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest einer der Teilbereiche (21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) in einem Randgebiet (23, 34, 43) zu einem anderen Teilbereich derselben Schicht Gebietsteile (35, 36, 53, 63) beinhaltet, die formschlüssig in den anderen Teilbereich hineinragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Randgebiete von
Teilbereichen, die in einer Schicht aneinander grenzen, zusammenhängend sind und kammförmig und/ oder formschlüssig (35, 36) ineinander greifen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randgebiete
aneinander grenzender Teilbereiche entlang einer Aufteilungslinie ineinander greifen, die ein formwahrendes Auseinanderrücken der Randgebiete nicht zulässt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von
übereinander liegenden Schichten in einander geometrisch entsprechende Teilbereiche (51, 52, 61, 62) aufgeteilt werden, wobei die Randgebiete einander entsprechender Teilbereiche von übereinander liegenden Schichten zusammengenommen eine zusammenhängende dreidimensionale Form bilden, wobei die so gebildeten dreidimensionalen Formen gegenseitig ineinandergreifen und ein formwahrendes Auseinanderrücken nicht zulassen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Teilbereiche, die in einer Schicht aneinander grenzen, formschlüssig in den jeweils anderen Teilbereich hineinragende Gebietsteile beinhalten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei aneinander grenzenden Teilbereichen (21, 22, 31, 32, 41, 42) einer Schicht ein Überlappungsgebiet (23, 34, 43) vorgesehen ist, das Randgebiete beider am
Überlappungsgebiet beteiligten Teilbereiche beinhaltet, wobei die Randgebiete
formschlüssig in den jeweils anderen Teilbereich hineinragende Gebietsteile beinhalten, wobei in jedem Überlappungsgebiet die Entwicklung der Schicht jeweils zum Teil in jenen Entwicklungsschritten erfolgt, die zu den am Überlappungsgebiet beteiligten Teilbereichen gehören.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung in dem Überlappungsgebiet (23, 43) dadurch erfolgt, dass das Überlappungsgebiet mosaikartig in Gebietsstücke aufgeteilt wird, und die so gebildeten Gebietsstücke zufällig zu den am Überlappungsgebiet beteiligten Teilbereichen zugeordnet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mosaikartige Aufteilen in Übereinstimmung mit einer Aufteilung der Schicht in Pixel oder vorbestimmten Gruppen von Pixeln erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entwickeln der Schichten durch Belichtung mit einer ein Aushärten der Schicht auslösenden Strahlung erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche in zeitlicher Abfolge belichtet werden, vorzugsweise die Teilbereiche jeweils einer Schicht zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in übereinander liegenden Schichten jeweils eine Unterteilung der Schicht in Teilbereiche erfolgt, wobei die Randgebiete in verschiedenen Schichten zueinander gespiegelte und/ oder invertierte Geometrien aufweisen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebietsteile, die formschlüssig in einen anderen Teilbereich hineinragen, von der äußeren Kontur des zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands (2) beabstandet sind, nämlich in einem vorgegebenen Mindestabstand.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwicklung zumindest einer Schicht in einer Mehrzahl von Belichtungsdurchgängen erfolgt, wobei die Belichtungsdurchgänge einer Schicht in zeitlicher Abfolge und jeweils im Wesentlichen für die gesamte Schicht stattfinden,
wobei in zumindest einem der Belichtungsdurchgänge die betreffende Schicht in zumindest zwei Teilbereiche unterteilt wird, welche im Wesentlichen neben einander liegen und jeweils in gesonderten Entwicklungsschritten entwickelt werden, wobei zumindest einer dieser Teilbereiche in einem Randgebiet zu einem anderen Teilbereich derselben Schicht in demselben Belichtungsdurchgang Gebietsteile beinhaltet, die formschlüssig in den anderen Teilbereich hineinragen.
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